(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、
前記中継局装置は、
前記複数の端局装置のそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置から無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置へ無線により同時に送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナが対向する前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調部と、
前記復調部が復調した複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配部と、
前記複数の指向性アンテナのそれぞれに対応して設けられ、前記分配部が分配した前記符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する複数の増幅部と、
前記復調部が復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出回路と、
前記誤り検出回路において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記分配部に対して、前記変調部が変調した符号化情報フレームを、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応する前記複数の増幅部に出力するよう指示する制御部とを備え、
前記端局装置は、
前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信するアンテナと、
符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、
前記アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、
前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、
ことを特徴とする無線中継システム。
【請求項２】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、
前記複数の端局装置のそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置から無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置へ無線により同時に送信する複数の指向性アンテナと、
前記複数の指向性アンテナが対向する前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調部と、
前記復調部が復調した複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、
前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、
前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配部と、
前記複数の指向性アンテナのそれぞれに対応して設けられ、前記分配部が分配した前記符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する複数の増幅部と、
前記復調部が復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出回路と、
前記誤り検出回路において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記分配部に対して、前記変調部が変調した符号化情報フレームを、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応する前記複数の増幅部に出力するよう指示する制御部と、
を備えることを特徴とする中継局装置。
【請求項３】
中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、
前記複数の端局装置それぞれに対向して設けられた指向性アンテナにより、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、
前記受信過程において前記指向性アンテナにより受信した情報フレームを復調する復調過程と、
前記復調過程において復調された複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、
前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、
前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配過程と、
前記分配過程において分配された各符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する増幅過程と、
前記複数の指向性アンテナにより、前記増幅過程において出力された前記符号化情報フレームを同時に無線送信する送信過程と、
前記復調過程において復調された情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出過程と、
を有し、
前記ネットワーク符号化過程においては、前記誤り検出過程において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成し、
前記分配過程においては、前記ネットワーク符号化過程において前記符号化情報フレームの生成に用いた前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応して、前記変調過程において変調された符号化情報フレームを分配する、
ことを特徴とする無線中継方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワークコーディングを用いた無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マルチホップ通信のスループットの向上を目的とした、ネットワークコーディング（ＮＣ）技術が注目されている。ネットワークコーディング技術は、マルチホップ中継を行うネットワーク上の中継局において複数の情報系列を線形符号化することによって複数のマルチキャスト通信やユニキャスト通信を多重化した上で宛先ノードとなる複数の端局に送信し、各端局において復号操作を行う。これにより、ネットワークコーディングを用いない場合に比べてスループットの向上を図ることができる。
【０００３】
ネットワークコーディングを用いたマルチホップ無線ネットワークでは、無線通信の同報性とネットワークコーディングを活用することにより、スループットの向上を実現する。中継局の役割を果たすノードは、複数の端局ノードから受信した情報フレームを線形符号によって符号化し、目的の端局に中継する。線形符号によって符号化された情報フレームを中継局ノードから受信した端局は、他のノードから受信した情報フレームあるいは自身が保持している情報フレームを用いて、符号化された情報フレームを同様の線形符号によって復号し、元の情報を得ることができる。
【０００４】
以下では具体例として、ネットワークコーディング技術が適用できる代表的なマルチホップ無線トポロジである、Alice & Bobトポロジを挙げて、従来の無線によるネットワークコーディング技術を説明する。以下、ある情報フレームに対し、ネットワークコーディングの符号化を施すことをＮＣ符号化と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することをＮＣ復号と記載する。ＮＣ符号化及びＮＣ復号には、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いるものとする。また、ネットワーク符号化された情報フレームを符号化情報フレームと記載し、符号化情報フレームと符号化されていない情報フレームとを明確に区別するために、ＮＣ符号化されていない情報フレームをネイティブ情報フレームと記載する。
【０００５】
図１２は、Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。同図に示す無線マルチホップトポロジにおいて、両端の端局であるノードＡ（node-A）とノードＢ（node-B）が、互いに中継局であるノードＲ（node-R）を介して情報のやり取りを行う場合について考える。本トポロジの目的は、ノードＡおよびノードＢが、自身の保持する情報を情報フレームとして無線チャネルを用いて送信するとともに、相手方としての端局から情報フレームを受信することである。なお、全てのノードで単一の周波数チャネルを共有するとともに、各ノードはそれぞれ変復調回路を１つ、オムニアンテナを１本具備する。即ち、あるノードが情報フレームの送信を行っている間、他の全てのノードは同時刻に情報フレームを送信しない。
【０００６】
図１３は、ネットワークコーディング技術を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いない場合の通信手順は、以下のようになる。
【０００７】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＲが情報フレームＡをノードＢに送信する。ノードＢは情報フレームＡを受信する。
（３）時刻Ｔ３において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
（４）時刻Ｔ４において、ノードＲが情報フレームＢをノードＡに送信する。ノードＡは情報フレームＢを受信する。
【０００８】
上述のような手順が必要であるため、ノードＡとノードＢが互いに情報をやり取りするためには４つのタイムスロットが必要となる。
【０００９】
一方、図１４は、ネットワークコーディング技術を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。ネットワークコーディング技術を用いた場合の通信手順は、以下のようになる。
【００１０】
（１）時刻Ｔ１において、ノードＡがネイティブ情報フレームである情報フレームＡをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＡを受信する。
（２）時刻Ｔ２において、ノードＢがネイティブ情報フレームである情報フレームＢをノードＲに送信する。ノードＲは情報フレームＢを受信する。
【００１１】
（３）時刻Ｔ３において、ノードＲが情報フレームＡと情報フレームＢに対してＮＣ符号化を行い、符号化情報フレームＸを生成する。ノードＲは、生成した符号化情報フレームＸをノードＡおよびノードＢに対して同報送信する。ノードＡは、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＡと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＢを取得する。同様に、ノードＢにおいても、自身が時刻Ｔ２において送信した情報フレームＢと時刻Ｔ３において受信した符号化情報フレームＸとを用いてＮＣ復号を行うことにより、情報フレームＡを取得する。
【００１２】
上記の手順を行なうことにより、必要となるタイムスロット数が３となる。ネットワークコーディング技術を用いない場合と用いた場合を比較すると、ネットワークコーディング技術を適用することにより、ノードＡとノードＢが情報のやり取りを行うために消費するタイムスロット数が３／４になる。すなわち、ネットワークコーディング技術の適用によるスループット増大効果（これを「ＮＣ利得」と呼ぶ。）はその逆数の４／３となる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−２０６７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ネットワークコーディング技術は、オムニアンテナを用いることによって得られる無線の同報性という特徴を活用してスループットを向上する技術である。しかしながらオムニアンテナは、全ての空間に電力を出力するため、目的の無線局が位置する方向以外に対しても電力を出力してしまう。そのため、送信電力の無駄が発生してしまい、送信可能距離の伸長に適していないという問題がある。
【００１５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継において、無線局間の伝搬距離を伸長することができる無線中継システム、中継局装置、および、無線中継方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決するために、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムであって、前記中継局装置は、前記複数の端局装置のそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置から無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置へ無線により同時に送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナが対向する前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調部と、前記復調部が復調した複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配部と、前記複数の指向性アンテナのそれぞれに対応して設けられ、前記分配部が分配した前記符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する複数の増幅部と、前記復調部が復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出回路と、前記誤り検出回路において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記分配部に対して、前記変調部が変調した符号化情報フレームを、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応する前記複数の増幅部に出力するよう指示する制御部とを備え、前記端局装置は、前記中継局装置の自局に対向する前記指向性アンテナから送信された符号化情報フレームを受信するアンテナと、符号化情報フレームの復号に用いる鍵情報フレームを格納する鍵記憶部と、前記アンテナが受信した符号化情報フレームを復調する端局復調部と、前記端局復調部が復調した前記符号化情報フレームを、前記鍵記憶部から読み出した鍵情報フレームにより復号するネットワーク符号化復号部とを備える、ことを特徴とする無線中継システムである。
【００１７】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置であって、前記複数の端局装置のそれぞれに対向して設けられ、対向する前記端局装置から無線により情報フレームを受信するとともに、複数の情報フレームをネットワーク符号化した符号化情報フレームを対向する前記端局装置へ無線により同時に送信する複数の指向性アンテナと、前記複数の指向性アンテナが対向する前記端局装置から受信した情報フレームを復調する復調部と、前記復調部が復調した複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化部と、前記ネットワーク符号化部が生成した符号化情報フレームを変調する変調部と、前記変調部が変調した符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配部と、前記複数の指向性アンテナのそれぞれに対応して設けられ、前記分配部が分配した前記符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する複数の増幅部と、前記復調部が復調した情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出回路と、前記誤り検出回路において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するよう前記ネットワーク符号化部へ指示するとともに、前記分配部に対して、前記変調部が変調した符号化情報フレームを、誤りが検出されなかった前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応する前記複数の増幅部に出力するよう指示する制御部と、を備えることを特徴とする中継局装置である。
【００２２】
また、本発明は、中継局装置と複数の端局装置とを有する無線中継システムにおける前記中継局装置の無線中継方法であって、前記複数の端局装置それぞれに対向して設けられた指向性アンテナにより、前記端局装置から無線送信された情報フレームを受信する受信過程と、前記受信過程において前記指向性アンテナにより受信した情報フレームを復調する復調過程と、前記復調過程において復調された複数の情報フレームをネットワーク符号化して符号化情報フレームを生成するネットワーク符号化過程と、前記ネットワーク符号化過程において生成された符号化情報フレームを変調する変調過程と、前記変調過程において変調された符号化情報フレームを前記複数の指向性アンテナに対応して分配する分配過程と、前記分配過程において分配された各符号化情報フレームを１台の端局装置への無線信号の送信に必要な所定の送信電力まで増幅して対応する前記指向性アンテナへ出力する増幅過程と、前記複数の指向性アンテナにより、前記増幅過程において出力された前記符号化情報フレームを同時に無線送信する送信過程と、前記復調過程において復調された情報フレームの誤り検出を行なう誤り検出過程と、を有し、前記ネットワーク符号化過程においては、前記誤り検出過程において誤りが検出されなかった複数の情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成し、前記分配過程においては、前記ネットワーク符号化過程において前記符号化情報フレームの生成に用いた前記複数の情報フレームの宛先の端局装置に対向した前記複数の指向性アンテナに対応して、前記変調過程において変調された符号化情報フレームを分配する、ことを特徴とする無線中継方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ネットワークコーディング技術を適用した無線中継システムにおいて、中継局にネットワーク符号化された情報フレームの宛先の数と同数の指向性アンテナを備え、各端局に対して指向性を合わせることで、オムニアンテナによる送信電力の無駄を削減し、各無線リンクの送信距離の伸長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態による無線中継システムの通信手順を示す図である。
【図２】同実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図３】同実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図４】同実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局の機能ブロック図である。
【図５】第２の実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図６】同実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図７】第３の実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図８】第４の実施形態による端局の機能ブロック図である。
【図９】同実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図１０】同実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局の機能ブロック図である。
【図１１】第５の実施形態による中継局の機能ブロック図である。
【図１２】Alice & Bobトポロジの構成を示す図である。
【図１３】従来技術によるネットワーク符号化を用いない場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【図１４】従来技術によるネットワーク符号化を用いた場合のAlice & Bobトポロジにおける通信手順を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による無線中継システムにおける通信手順を示す図である。本実施形態の無線中継システムは、複数台の端局１と、１台の中継局２とからなる。以下、Ｎ台（Ｎは２以上の整数）の端局１をそれぞれ、端局１−１、１−２、…、１−ｎと記載する。同図は、本実施形態の無線中継システムを、ネットワークコーディング（以下、「ＮＣ」とも記載）技術を用いた２ホップ無線中継システムであるAlice & Bobトポロジに適用した場合について示しており、端局１−１、１−２の２台の端局１が記載されている。
【００３１】
同図に示す無線中継システムにおいて、受信局装置と送信局装置を兼ねた端局装置である端局１−１、１−２は、中継局装置である中継局２を介して双方向の通信を行う。各端局１及び中継局２（以下、端局１と中継局２を総称して「ノード」とも記載する）はタイムスロット同期が取れているものとし、端局１−１、１−２はそれぞれ、中継局２に向けた指向性アンテナ１０を備え、中継局２は端局１−１、１−２それぞれの指向性アンテナ１０に向けた指向性アンテナ２０−１、２０−２を備えている。
【００３２】
以下、システム全体におけるｍ番目の送信タイミングを時刻Ｔｍと表す。また、ネットワークコーディングの符号化を施すことを「ＮＣ符号化」と記載し、ネットワークコーディングにより符号化された情報フレームを復号することを「ＮＣ復号」と記載する。そして、ＮＣ符号化されていない情報フレームを「ネイティブ情報フレーム」、ＮＣ符号化された情報フレームを「符号化情報フレーム」、符号化情報フレームをＮＣ復号するために必要となる情報フレームを「鍵情報フレーム」と記載する。
【００３３】
（１）時刻Ｔ１において、端局１−１がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ１を中継局２に送信する。中継局２は、情報フレームＦ１を指向性アンテナ２０−１により受信する。
（２）時刻Ｔ２において、端局１−２がネイティブ情報フレームである情報フレームＦ２を中継局２に送信する。中継局２は、情報フレームＦ２を指向性アンテナ２０−２により受信する。
【００３４】
（３）時刻Ｔ３において、中継局２は、受信した情報フレームＦ１、Ｆ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、生成した符号化情報フレームＸを指向性アンテナ２０−１、２０−２により端局１−１、１−２それぞれに同報送信する。ＮＣ符号化には、例えば、情報フレーム同士のビット毎の排他的論理和（ＸＯＲ）を用いる。端局１−１は、自身が時刻Ｔ１において送信した情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、指向性アンテナ１０により受信した符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行い、情報フレームＦ２を取得する。同様に、端局１−２は、自身が時刻Ｔ２において送信した情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、指向性アンテナ１０により受信した符号化情報フレームＸのＮＣ復号を行い、情報フレームＦ２を取得する。ＮＣ復号には、ＮＣ符号化同様、情報フレーム同士の排他的論理和が用いられる。
【００３５】
図２は、本実施形態による端局１の構成を示すブロック図である。端局１は、指向性アンテナ１０、変調回路１１、記憶回路１２、増幅回路１３、Ｐ分配回路１４、送受信切替回路１５、切替回路１６、復調回路１７、制御回路１８、及び、ネットワーク符号化復号部（以下、「ＮＣ復号部」と記載）１９を含んで構成される。端局１は、ＮＣ復号の際に、自局が送信したネイティブ情報フレームと、（Ｐ−１）台の他の端局１が送信したネットワーク情報フレームとを鍵情報フレームとして用いる（Ｐは、１以上（Ｎ−１）以下の整数）。このとき、端局１は、指向性アンテナ１０をＰ本、送受信切替回路１５をＰ個備える。Ｐ本の指向性アンテナ１０をそれぞれ、指向性アンテナ１０−１、１０−２、…、１０−ｐと記載し、Ｐ個の送受信切替回路１５をそれぞれ、送受信切替回路１５−１、１５−２、…、１５−ｐと記載する。
【００３６】
指向性アンテナ１０−ｉ（ｉ＝１〜ｐ）は、送受信切替回路１５−ｉを介して入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより対向する他の端局１または中継局２に無線送信を行なうとともに、対向する他の端局１または中継局２から無線送信された変調フレームを受信する。変調回路１１は、上位層等から入力されたネイティブ情報フレームを変調する。記憶回路１２は、変調回路１１へ入力されたネイティブ情報フレームや、他の端局１から受信したネイティブ情報フレームなどの鍵情報フレームを記憶する。増幅回路１３は、変調回路１１から出力された変調フレームを所望の送信電力に増幅する。Ｐ分配回路１４は、増幅回路１３から出力された変調フレームをＰ分配し、指向性アンテナ１０−１〜１０−ｐに出力する。送受信切替回路１５−１〜１５−ｐは、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。各送受信切替回路１５−ｉ（ｉ＝１〜ｐ）は、信号受信時には指向性アンテナ１０−ｉにより受信した変調フレームを切替回路１６に出力し、信号送信時には、Ｐ分配回路１４によりＰ分配された変調フレームを指向性アンテナ１０−ｉに出力する。
【００３７】
切替回路１６は、指向性アンテナ１０−ｉが受信した変調フレームの入力に応じて入力元を送受信切替回路１５−ｉ（ｉ＝１〜ｐ）のいずれか一つに切り替え、復調回路１７へ出力する。復調回路１７は、切替回路１６から出力された変調フレームを復調する。制御部１８は、受信した情報フレームの送信元が他の端局１である場合、復調回路１７が復調して得たネイティブ情報フレームを記憶回路１２に書き込み、情報フレームの送信元が中継局２である場合、記憶回路１２へ鍵情報フレームとなるネイティブ情報フレームを出力するよう指示するとともに、ＮＣ復号部１９へＮＣ復号を行なうよう指示する。ＮＣ復号部１９は、記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用い、復調回路１７により復調された情報フレームをＮＣ復号する。
【００３８】
図３は、本実施形態による中継局２の構成を示すブロック図である。中継局２は、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎ、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎからなる送受信切替回路群、切替回路２２、復調回路２３、ネットワーク符号化部（以下、「ＮＣ部」と記載）２４、変調回路２５、増幅回路２６、及び、Ｎ分配回路２７を含んで構成される（ｎは２以上の整数）。
【００３９】
Ｎ本の指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎはそれぞれ１台の端局１の指向性アンテナ１０と対向しており、入力された変調フレームを空中線としての空間に出力することにより無線送信を行なうとともに、端局１から無線送信された変調フレームを受信する。送受信切替回路２１−１〜２１−ｎは、予めスケジューリングされた信号の送受信タイミングに従って切り替えを行なう。各送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、信号受信時には指向性アンテナ２０−ｉにより受信した変調フレームを切替回路２２に出力し、信号送信時には、Ｎ分配回路２７によりＮ分配された変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力する。
【００４０】
切替回路２２は、指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームの入力に応じて入力元を送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）のいずれか一つに切り替え、復調回路２３へ出力する。復調回路２３は、切替回路２２から出力された変調フレームを復調し、復調により得られたネイティブ情報フレームをＮＣ部２４へ出力する。ＮＣ部２４は、復調回路２３から出力された複数のネイティブ情報フレームをＮＣ符号化して符号化情報フレームを生成し、変調回路２５へ出力する。変調回路２５は、ＮＣ部２４から出力された符号化情報フレームを変調し、変調フレームを生成する。増幅回路２６は、変調回路２５から出力された変調フレームを所定の送信電力に増幅し、Ｎ分配回路２７へ出力する。Ｎ分配回路２７は、増幅回路２６から出力された変調フレームを指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに分配する。
【００４１】
次に、本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。ここでは、簡単のため、中継局２の指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉの指向性アンテナ１０−ｐに対向しており、時刻Ｔｉが、端局１−ｉの送信タイミングであるとする。
【００４２】
（１）時刻Ｔｉ（ｉ＝１〜ｎ）において、端局１−ｉは、ネイティブ情報フレームである情報フレームＦｉを変調した変調フレームを送信する。具体的には、端局１−ｉの変調回路１１は、上位層等から入力された情報フレームＦｉを変調し、記憶回路１２は、情報フレームＦｉを記憶する。端局１−ｉの増幅回路１３は、変調回路１１から出力された情報フレームＦｉの変調フレームを所望の送信電力に増幅し、Ｐ分配回路１４へ出力する。Ｐ分配回路１４は、増幅回路１３から出力された変調フレームを送受信切替回路１５−１〜１５−ｐを介して送受信切替回路１５−１〜１５−ｐへ分配する。指向性アンテナ１０−１〜１０−ｐは、情報フレームＦｉの変調フレームを無線送信する。
【００４３】
端局１−ｉのネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用いる他の端局１−ｊ（ｊはｉ以外の１以上ｎ以下の整数）は、端局１−ｉから無線により送信された情報フレームＦｉの変調フレームを、端局１−ｉに対向した指向性アンテナ１０−ｑにより受信する（ｑは１以上（ｐ−１）以下の整数）。端局１−ｊの送受信切替回路１５−ｑは、指向性アンテナ１０−ｑの出力先を切替回路１６に切り替え、切替回路１６は、入力元を送受信切替回路１０−ｑに切り替える。指向性アンテナ１０−ｑが受信した変調フレームは送受信切替回路１５−ｑ及び切替回路１６を介して復調回路１７に入力され、復調回路１７は、入力された変調フレームを復調して情報フレームＦｉを取得する。制御部１８は、復調により得られた情報フレームＦｉを記憶回路１２に記憶する。
【００４４】
一方、中継局２の指向性アンテナ２０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、端局１−ｉから無線により送信された情報フレームＦｉの変調フレームを受信する。中継局２の送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、指向性アンテナ２０−ｉの出力先を切替回路２２に切り替え、切替回路２２は、入力元を送受信切替回路２１−ｉに切り替える。指向性アンテナ２０−ｉが受信した変調フレームは送受信切替回路２１−ｉ及び切替回路２２を介して復調回路２３に入力され、復調回路２３は、入力された変調フレームを復調して情報フレームＦｉを取得する。復調回路２３は、復調により得られた情報フレームＦｉをＮＣ部２４に出力する。ＮＣ部２４は、情報フレームＦｉを内部に備える記憶部（図示せず）に記憶する。
【００４５】
（２）全ての端局１−１〜１−ｎから情報フレームを受信して（１）の処理を行なった後の時刻Ｔ（ｎ＋１）において、中継局２のＮＣ部２４は、内部に備える記憶部から読み出した情報フレームＦ１〜ＦｎをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成する。ＮＣ部２４は、生成した符号化情報フレームＸを変調回路２５へ出力し、変調回路２５は、ＮＣ部２４から出力された符号化情報フレームＸを変調して増幅回路２６へ出力する。増幅回路２６は、変調回路２５から出力された符号化情報フレームＸの変調フレームを所定の送信電力に増幅し、Ｎ分配回路２７へ出力する。Ｎ分配回路２７は、増幅回路２６から出力された変調フレームを送受信切替回路２１−１〜２１−ｎへ分配し、送受信切替回路２１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｎ分配回路２７により分配された変調フレームを指向性アンテナ２０−ｉに出力する。指向性アンテナ２０−ｉは、符号化情報フレームＸの変調フレームを対向する端局１−ｉに同報送信する。
【００４６】
端局１−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、中継局２から送信された変調フレームを指向性アンテナ１０−ｐにより受信し、受信した変調フレームは送受信切替回路１５−ｐ及び切替回路１６を介して復調回路１７に入力され、復調される。制御部１８は、記憶回路１２へ鍵情報フレームとなるネイティブ情報フレームを出力するよう指示するとともに、ＮＣ復号部１９へＮＣ復号を行なうよう指示する。ＮＣ復号部１９は、記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用いて、復調回路１７により復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号し、所望の情報フレームを得る。
【００４７】
以降、無線中継システムは、上述した（１）〜（２）を繰り返し実行する。
【００４８】
図１に示すAlice & Bobトポロジの２ホップ無線中継システムを例にして、端局１が２台の場合について説明する。
【００４９】
図４は、本実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局１として用いることができる端局１’の構成を示すブロック図である。Alice & Bobトポロジの場合、端局１’は、他の端局１’から鍵情報フレームとなるネイティブ情報フレームを受信する必要がないため、中継局２と対向する指向性アンテナ１０のみを備えればよい。従って、送受信切替回路１５も１台のみ備えればよく、Ｐ分配回路１４、切替回路１６、及び、制御部１８が不要となる。
【００５０】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１−１）時刻Ｔ１において、端局１’−１は、情報フレームＦ１を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１が変調した情報フレームＦ１を指向性アンテナ１０により送信する。中継局２の復調回路２３は、指向性アンテナ２０−１が受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ１を取得し、ＮＣ部２４に出力する。
【００５１】
（１−２）時刻Ｔ２において、端局１’−２は、情報フレームＦ２を記憶回路１２に記憶し、変調した情報フレームＦ２を指向性アンテナ１０により送信する。中継局２の復調回路２３は、指向性アンテナ２０−２が受信した変調フレームを復調して情報フレームＦ２を取得し、ＮＣ部２４に出力する。
【００５２】
（２）時刻Ｔ３において、中継局２のＮＣ部２４は、情報フレームＦ１及び情報フレームＦ２をＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、変調回路２５は、符号化情報フレームＸを変調して変調フレームを生成する。Ｎ分配回路２７は、増幅回路２６により送信電力が増幅された変調フレームを送受信切替回路２１−１、２１−２へ分配する。指向性アンテナ２０−１は、送受信切替回路２１−１を介して入力された変調フレームを端局１’−１に、指向性アンテナ２０−２は、送受信切替回路２１−２を介して入力された変調フレームを端局１’−２に同報送信する。端局１’−１の復調回路１７は、指向性アンテナ１０が受信した変調フレームを復調し、ＮＣ復号部１９は、復調された符号化情報フレームＸを、記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ１を用いてＮＣ復号を行い、情報フレームＦ２を得る。同様に、端局１’−２の復調回路１７は、指向性アンテナ１０が受信した変調フレームを復調し、ＮＣ復号部１９は、復調された符号化情報フレームＸを記憶回路１２から読み出した情報フレームＦ２を用いてＮＣ復号を行い、情報フレームＦ１を得る。
【００５３】
［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。指向性アンテナを用いて目的の端局への無線の同報性を実現するために、中継局は目的の端局の数と同じだけのアンテナを具備する必要がある。例えば、図１に示すAlice and Bob トポロジの場合、中継局は、２台の端局それぞれに指向性を向けた指向性アンテナを２本備える必要がある。しかしながら第１の実施形態の中継局は、変調器（変調回路２５）及び増幅器（増幅回路２６）を１つしか持たず、増幅器からの出力を２本の指向性アンテナに分岐するため、指向性アンテナ１つあたりの電力が半減してしまう。そのため、中継局の備える増幅器が１台の端局１との無線通信に必要な送信電力までの増幅を行なう能力しかもたない場合、中継局から各端局への送信電力は、各端局から中継局への送信電力と比べて半分となる。すると、端局が中継局から受信する符号化情報フレームＸの伝送品質は、中継局が端局から受信する情報フレームＦ１、Ｆ２に比べて劣化してしまう。符号化情報フレームの伝送品質がネイティブ情報フレームの伝送品質に比べて劣化すると、中継局がシステムスループットのボトルネックとなり、システムスループットが劣化する問題が発生する。また、中継局のバッファにネイティブ情報フレームが蓄積されていくため、遅延が増大し、バッファ容量が少ない場合にはバッファオーバーフローによりパケットロスが発生する問題がある。そこで、第２の実施形態では、中継局に増幅器を複数備えることにより、中継局の各指向性アンテナからの送信電力を、端局からの送信電力と同等にし、システムスループットの劣化や遅延の増大を防止する。以下、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
【００５４】
図５は、本実施形態による端局１ａの構成を示すブロック図である。同図において、図２に示す第１の実施形態による端局１と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示す端局１ａが、第１の実施形態の端局１と異なる点は、増幅回路１３に代えて、増幅回路７１及びＰ倍増幅回路７２が備えられている点である。増幅回路７１は、変調回路１１から出力されたネイティブ情報フレームの変調フレームを所定の送信電力にまで増幅し、Ｐ倍増幅回路７２へ出力する。Ｐ倍増幅回路７２は、増幅回路７１において増幅された変調フレームの送信電力をさらにＰ倍、つまり、自局のネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして使用する他の端局１の台数（Ｐ−１）に、中継局２ａの台数１台分を加算した送信先ノードの台数分を乗算した送信電力に増幅し、Ｐ分配回路１４へ出力する。
【００５５】
図６は、本実施形態による中継局２ａの構成を示すブロック図である。同図において、図３に示す第１の実施形態による中継局２と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図６に示す中継局２ａが、第１の実施形態の中継局２と異なる点は、増幅回路２６に代えて、増幅回路３１及びＮ倍増幅回路３２が備えられている点である。増幅回路３１は、変調回路２５から出力された符号化情報フレームの変調フレームを所定の送信電力にまで増幅し、Ｎ倍増幅回路３２へ出力する。Ｎ倍増幅回路３２は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力をさらにＮ倍、つまり、端局１の台数分を乗算した送信電力に増幅し、Ｎ分配回路２７へ出力する。
【００５６】
次に、本実施形態の無線通信システムの動作について説明する。
（１）中継局２ａが、時刻Ｔｉ（ｉ＝１〜ｎ）において、端局１ａ−ｉの変調回路１１は、上位層等から入力された情報フレームＦｉを変調し、記憶回路１２は、情報フレームＦｉを記憶する。端局１ａ−ｉの増幅回路７１は、変調回路１１から出力された変調フレームを１台のノードへの無線信号の送信に必要な所定の送信電力に増幅し、Ｐ倍増幅回路７２へ出力する。Ｐ倍増幅回路７２は、増幅回路７１において増幅された変調フレームの送信電力をさらにＰ倍に増幅し、Ｐ分配回路１４へ出力する。以降の処理は、第１の実施形態の端局１と同様であり、指向性アンテナ１０−１〜１０−ｐにより、情報フレームＦｉの変調フレームが無線送信される。
端局１ａ−ｉのネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用いる他の端局１ａ−ｊ（ｊ＝１〜ｎ，ｊ≠ｉ）が、端局１ａ−ｉから変調フレームを受信し、復調により得られた情報フレームＦｉを記憶回路１２に記憶する処理、及び、中継局２ａが端局１ａ−ｉから変調フレームを受信し、ＮＣ部２４が復調により得られた情報フレームＦｉの入力を受け、記憶する処理は、第１の実施形態と同様である。
【００５７】
（２）時刻Ｔ（ｎ＋１）において、中継局２ａのＮＣ部２４が情報フレームＦ１〜ＦｎをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、変調回路２５が、符号化情報フレームＸを変調する処理は、第１の実施形態と同様である。増幅回路３１は、変調回路２５から出力された変調フレームを１台の端局１ａへの無線信号の送信に必要な所定の送信電力に増幅し、Ｎ倍増幅回路３２へ出力する。Ｎ倍増幅回路３２は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力をさらにＮ倍に増幅し、Ｎ分配回路２７へ出力する。例えば、Alice and Bob トポロジの場合、Ｎ＝２であるため、Ｎ倍増幅回路３２は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力をさらに２倍に増幅してＮ分配回路２７へ出力する。
以降の処理、すなわち、Ｎ分配回路２７が符号化情報フレームＸの変調フレームをＮ系統に分配し、指向性アンテナ２０−ｉが、送受信切替回路２１−ｉを介して入力された符号化情報フレームＸの変調フレームを対向する端局１ａ−ｉに同報送信する処理は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
なお、本実施形態では、端局１ａを用いることにより、端局１ａから中継局２ａへの無線信号と、中継局２ａから端局１ａへの無線信号の送信電力を同等とすることができるが、端局１ａに代えて、第１の実施形態の端局１を用いることもできる。また、Alice and Bob トポロジの場合、他の端局１ａから鍵情報フレームとなるネイティブ情報フレームを受信する必要がないため、第１の実施形態の端局１’を用いることができる。
【００５９】
上述したように、本実施形態によれば、中継局は、符号化情報フレームの送信要求が発生した場合、変調された符号化情報フレームを、他のノードの送信電力と同等の送信電力まで増幅する。そして、Ｎ分配回路により電力が分割された後も指向性アンテナ１本あたりの所要送信電力を保持可能とするために、送信電力をさらにＮ倍に増幅する。その後、Ｎ分配回路を通して同じ変調フレームがＮ本の指向性アンテナへ入力され、各端局に送信される。
【００６０】
このように本実施形態では、中継局の送信電力を指向性アンテナの本数倍に増幅することで、符号化情報フレームの伝送品質を、ネイティブ情報フレームの伝送品質と同等にすることが可能となり、中継局から端局へのリンクが、端局から中継局へのリンクに比べて相対的に劣悪なことに起因して発生するシステムスループットの劣化や、遅延の増大を防止することが可能となる。また、中継局から端局へ送信される無線信号の送信電力と、端局から中継局へ送信される無線信号の送信電力とを同等にすることが容易である。
【００６１】
［第３の実施形態］
続いて、本発明の第３の実施形態を説明する。第２の実施形態において、中継局２ａは、増幅回路により１台の端局１ａへの無線信号の送信に必要な送信電力にまで増幅した後、Ｎ倍増幅回路において送信電力をさらにＮ倍に増幅していた。しかし、端局１ａの台数が増加した場合、高い能力のＮ倍増幅回路が必要となり、高価になってしまう。そこで、本実施形態では、中継局に増幅回路をＮ個備え、符号化情報フレームの変調フレームをＮ分配した後、Ｎ個の増幅回路それぞれにおいて、Ｎ分配された変調フレームを１台の端局１ａへの送信に必要な送信電力に増幅する。以下、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
【００６２】
図７は、本実施形態による中継局２ｂの構成を示すブロック図である。同図において、図３に示す第１の実施形態による中継局２と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図７に示す中継局２ｂが、第１の実施形態の中継局２と異なる点は、増幅回路２６を備えていない点、増幅回路３６−１〜３６−ｎからなる増幅回路群が備えられている点である。増幅回路３６−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｎ分配回路２７がＮ分配した符号化情報フレームの変調フレームを所定の送信電力にまで増幅し、指向性アンテナ２０−ｉに分配する。
【００６３】
次に、本実施形態の無線中継システムの動作について説明する。
（１）時刻Ｔｉ（ｉ＝１〜ｎ）において、端局１ａ−ｉが情報フレームＦｉの変調フレームを送信し、端局１ａ−ｉのネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用いる他の端局１ａ−ｊ（ｊはｉ以外の１以上ｎ以下の整数）が該変調フレームを受信して、復調により得られた情報フレームＦｉを記憶回路１２に記憶する処理、及び、中継局２ｂが、該変調フレームを受信して、ＮＣ部２４が復調により得られた情報フレームＦｉを記憶する処理は、第１の実施形態と同様である。
【００６４】
（２）時刻Ｔ（ｎ＋１）において、中継局２ｂのＮＣ部２４が情報フレームＦ１〜ＦｎをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、変調回路２５が、符号化情報フレームＸを変調する処理は、第１の実施形態と同様である。Ｎ分配回路２７は、変調回路２５から出力された符号化情報フレームＸの変調フレームを増幅回路３６−１〜３６−Ｎに分配する。増幅回路３６−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｎ分配回路２７がＮ分配した符号化情報フレームの変調フレームを、１台の端局１ａへの無線信号の送信に必要な所定の送信電力にまで増幅し、送受信切替回路２１−ｉへ出力する。以降の処理、すなわち、中継局２ｂの指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎが、符号化情報フレームＸの変調フレームを同報送信する処理、端局１ａ−１〜１ａ−ｎが受信した変調フレームを復調し、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して所望の情報フレームを得る処理は第１の実施形態と同様である。
【００６５】
例えば、Alice and Bob トポロジの場合、Ｎ＝２であるため、中継局２ｂのＮ分配回路２７は、変調回路２５から出力された符号化情報フレームＸを増幅回路３６−１、３６−２へ分配し、増幅回路３６−１、３６−２はそれぞれ、変調フレームの送信電力を増幅する。指向性アンテナ２０−１は、増幅回路３６−１により送信電力が増幅された変調フレームを端局１’−１に、指向性アンテナ２０−２は、増幅回路３６−２により送信電力が増幅された変調フレームを端局１’−２に同報送信する。
【００６６】
上述したように、本実施形態によれば、中継局は、Ｎ分配回路を通じて変調フレームをＮ分配した後、分配されたそれぞれの変調フレームを指向性アンテナに入力する前に増幅する。これにより、第２の実施形態と比較して、増幅回路あたりの入力電力を小さくすることができるため、安価な増幅回路を用いて構成することが可能となる。中継局から端局へのリンクが、端局から中継局へのリンクに比べて相対的に劣悪なことに起因して発生するシステムスループットの劣化や、遅延の増大を防止することが可能となるという効果については、第２の実施形態と同様である。
【００６７】
［第４の実施形態］
続いて、本発明の第４の実施形態を説明する。中継局が端局から受信したネイティブ情報フレームに誤りがあった場合、誤り情報フレームを省いたネイティブ情報フレームのみを用いてＮＣ符号化を行うことが考えられる。しかしこの場合、誤りがあった情報フレームの宛先となる端局までも送信先に含めて送信電力を増幅させ、対応する指向性アンテナへの入力を行ってしまうと、送信電力が無駄となるという問題がある。そこで、本実施形態では、中継局が端局から正常に受信したネイティブ情報フレームの宛先となる端局のみに、符号化情報フレームを送信する。以下、第１の実施形態との差分を中心に説明する。
【００６８】
図８は、本実施形態による端局１ｃの構成を示すブロック図である。同図において、図５に示す第２の実施形態による端局１ａと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図８に示す端局１ｃが、第２の実施形態の端局１ａと異なる点は、変調回路１１に代えて変調回路１１ｃが設けられている点、制御部１８に代えて制御部１８ｃが設けられている点、ＮＣ復号部１９に代えてＮＣ復号部１９ｃが設けられている点である
【００６９】
変調回路１１ｃは、ネイティブ情報フレームの誤り検出符号化と変調を行なう。制御部１８ｃは、受信した情報フレームの送信元が他の端局１である場合、復調回路１７が復調して得たネイティブ情報フレームを記憶回路１２に書き込む。また、制御部１８ｃは、受信した情報フレームの送信元が中継局２である場合、情報フレームがＮＣ符号化されていれば、記憶回路１２から鍵情報フレームを出力するよう指示するとともに、ＮＣ復号部１９ｃにＮＣ復号を行なうよう指示し、情報フレームがＮＣ符号化されていなければ、記憶回路１２に鍵情報フレームを出力しないよう指示するとともに、ＮＣ復号部１９ｃにＮＣ復号を行なわないよう指示する。ＮＣ復号部１９ｃは、制御部１８からの指示に従って、復調回路１７により復調された情報フレームを記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用いてＮＣ復号し、得られたネイティブ情報フレームを上位層等に出力したり、復調されたネイティブ情報フレームをそのまま上位層等に出力したりする。
【００７０】
図９は、本実施形態による中継局２ｃの構成を示すブロック図である。同図において、図３に示す第１の実施形態による中継局２、図６に示す第２の実施形態による中継局２ａと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図９に示す中継局２ｃが、第１の実施形態の中継局２と異なる点は、記憶回路４１、誤り検出回路４２、制御部４３が設けられている点、ＮＣ部２４に代えてＮＣ部４４が設けられている点、増幅回路２６に代えて増幅回路３１及び可変倍増幅回路４５が設けられている点、Ｎ分配回路２７に代えて可変分配回路４６が設けられている点である。
【００７１】
記憶回路４１は、復調回路２３により復調されたネイティブ情報フレームを記憶する。誤り検出回路４２は、復調回路２３が復調したネイティブ情報フレームの誤り検出を行い、その結果を制御部４３に出力する。制御部４３は、各送信タイミングにおけるＮＣ符号化対象のネイティブ情報フレームの宛先（あるいは送信元）を記憶しており、現在の送信タイミングにおいてＮＣ符号化対象となる宛先（あるいは送信元）のネイティブ情報フレームの中から、正常に復調されたネイティブ情報フレームを特定する。制御部４３は、この特定されたネイティブ情報フレーム（以下、「特定情報フレーム」と記載）を用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ部４４に指示するとともに、特定情報フレームの数を送信電力の増幅利得として可変倍増幅回路４５に指示し、さらに、この特定情報フレームの宛先の端局１ｃと対向する指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに変調フレームを分配するよう可変分配回路４６に指示する。ＮＣ部４４は、制御部４３に指示された特定情報フレームを記憶回路４１から読み出し、符号化情報フレームを生成する。可変分配回路４６は、増幅回路３１により増幅された変調フレームの送信電力を制御部４３に指示された増幅利得に増幅する。可変分配回路４６は、制御部４３に指示された指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに、可変倍増幅回路４５により増幅された変調フレームを分配する。
【００７２】
次に、本実施形態による無線中継システムの動作について説明する。
（１）時刻Ｔｉ（ｉ＝１〜ｎ）において、端局１ｃ−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、第１の実施形態と同様に、情報フレームＦｉの変調フレームを同時に無線送信する。但し、情報フレームＦｉには、変調回路１１ｃにおいて誤り検出符号化が施されており、変調フレームには、該情報フレームＦｉを特定するフレーム識別情報が含まれている。誤り検出符号化には、例えば、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）符号等を用いることができる。
端局１ｃ−ｉのネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用いる他の端局１ｃ−ｊ（ｊはｉ以外の１以上ｎ以下の整数）が、端局１ｃ−ｉから変調フレームを受信し、復調により得られた情報フレームＦｉを記憶回路１２に記憶する処理は、第１の実施形態と同様である。また、中継局２ｃは、第１の実施形態と同様に、端局１ｃ−ｉから変調フレームを受信し、復調する。中継局２ｃの復調回路２３は、復調により得られた情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を記憶回路４１に記憶させる。誤り検出回路４２は、復調回路２３から出力された情報フレームＦｉの誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部４３に出力する。
【００７３】
（２）時刻Ｔ（１＋ｎ）において、中継局２ｃの制御部４３は、ＮＣ符号化対象のネイティブ情報フレームを特定する。この送信タイミングにおいては、端局１ｃ−１〜１ｃ−ｎを宛先とするネイティブ情報フレームがＮＣ符号化対象であったとする。制御部４３は、誤り検出回路４２から受信した誤り検出結果から、情報フレームＦ１〜Ｆｎのうち、正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ部４４に指示する。さらに、制御部４３は、情報フレームＦｋの数Ｎ’を可変倍増幅回路４５に出力し、情報フレームＦｋの宛先となる端局１ｃ−ｋ’（ｋ’は１以上ｎ以下の整数）に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するよう可変分配回路４６に出力する。宛先となる端局１ｃは、ネイティブ情報フレームの送信元の端局１ｃに対応して予め決められていてもよく、ネイティブ情報フレームに設定されている宛先情報から取得してもよい。
【００７４】
ＮＣ部４４は、制御部４３からの指示に従って、記憶回路４１から正常に復調された情報フレームＦｋを読み出してＮＣ符号化し、符号化情報フレームＸを生成する。ＮＣ部４４は、生成した符号化情報フレームＸと、記憶回路４１から読み出した情報フレームＦｋのフレーム識別情報を変調回路２５へ出力する。変調回路２５は、ＮＣ部４４から出力された符号化情報フレームＸを変調し、増幅回路３１へ出力する。変調回路２５により生成された符号化情報フレームＸの変調フレームには、ＮＣ符号化された情報フレームである旨を示すＮＣ符号化情報と、情報フレームＦｋのフレーム識別情報が含まれる。増幅回路３１は、変調回路２５から出力された変調フレームを１台の端局１ｃへの無線信号の送信に必要な所定の送信電力に増幅し、可変倍増幅回路４５へ出力する。可変倍増幅回路４５は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力をさらにＮ’倍に増幅し、可変分配回路４６へ出力する。可変分配回路４６は、可変倍増幅回路４５から出力された変調フレームを、制御部４３から指示された指向性アンテナ２０−ｋ’に分配する。指向性アンテナ２０−ｋ’は、送受信切替回路２１−ｋ’を介して入力された変調フレームを、対向する端局１ｃ−ｋ’に同報送信する。
【００７５】
なお、情報フレームがＮＣ符号化されていることを示す情報、情報フレームＦｋのフレーム識別情報は、ヘッダ情報、あるいは、ペイロード内に埋め込む。これにより、端局１ｃ−ｋ’に符号化情報フレームが送信されたことを通知する。
【００７６】
端局１ｃ−ｋ’が、中継局２ｃから送信された変調フレームを指向性アンテナ１０−ｐにより受信すると、復調回路１７は受信した変調フレームを復調する。端局１ｃ−ｋ’の制御部１８ｃは、復調回路１７により復調された情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されていると判断した場合、ＮＣ復号を行なうようＮＣ復号部１９ｃに指示するとともに、符号化情報フレームに付加されている情報フレームＦｋのフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを選択し、選択した鍵情報フレームをＮＣ復号部１９ｃに出力するよう記憶部１２に指示する。端局１ｃ−ｋ’のＮＣ復号部１９ｃは、記憶回路１２から出力された鍵情報フレームを用いて、復調回路１７により復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号し、所望の情報フレームを得ると、上位層等に出力する。
一方、中継局２ｃから受信すべきタイムスロットに無線信号を受信しなかった端局１ｃは、中継局２ｃにおいて対向ノードである端局１ｃからの情報フレームが誤って復調されたと判断できるため、復調動作を行わない。無線信号を受信したかどうかは、無線信号の受信強度を観測することによって判断することができる。例えば、受信強度が所定の閾値を超えた場合、無線信号を受信したと判断することが可能である。
【００７７】
なお、ＮＣ符号化対象のネイティブ情報フレームのうち、正常に復調できたネイティブ情報フレームが１つの場合、中継局２ｃの制御部４３は、ネットワーク符号化を行なわないようにＮＣ部４４に指示し、可変倍増幅回路４５には増幅を行なわないよう指示する。また、ネイティブ情報フレームを受信した端局１ｃ−ｋ’では、ＮＣ復号を行なわない。
【００７８】
本実施形態の無線中継システムをAlice and Bob トポロジに適用した場合について説明する。
【００７９】
図１０は、本実施形態をAlice & Bobトポロジに適用した場合の端局１ｃとして用いることができる端局１ｃ’の構成を示すブロック図である。Alice & Bobトポロジの場合、端局１ｃ’は、他の端局１ｃ’から鍵情報フレームとなるネイティブ情報フレームを受信する必要がないため、中継局２と対応する指向性アンテナ１０のみを備えればよい。従って、送受信切替回路１５も１台のみ備えればよく、Ｐ倍増幅回路７２、Ｐ分配回路１４、切替回路１６、及び、制御部１８が不要となる。
【００８０】
Alice & Bobトポロジを適用した本実施形態の無線中継システムは、以下のように動作する。
（１−１）時刻Ｔ１において、端局１ｃ’−１は、情報フレームＦ１を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１は情報フレームＦ１に誤り検出符号化を施して変調し、指向性アンテナ１０により送信する。中継局２ｃの復調回路２３は、指向性アンテナ２０−１が受信した変調フレームを復調する。記憶回路４１は、復調により得られた情報フレームＦ１と、情報フレームＦ１のフレーム識別情報を記憶し、誤り検出回路４２は、復調された情報フレームＦ１の誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部４３に出力する。
【００８１】
（１−２）時刻Ｔ２において、端局１ｃ’−２は、情報フレームＦ２を記憶回路１２に記憶し、変調回路１１は情報フレームＦ２に誤り検出符号化を施して変調し、指向性アンテナ１０により送信する。中継局２ｃの復調回路２３は、指向性アンテナ２０−２が受信した変調フレームを復調する。記憶回路４１は、復調により得られた情報フレームＦ２と、情報フレームＦ２のフレーム識別情報を記憶し、誤り検出回路４２は、復調された情報フレームＦ２の誤り検出を行い、誤り検出結果を制御部４３に出力する。
【００８２】
（２）時刻Ｔ３において、中継局２ｃの制御部４３は、ネットワーク符号化対象が端局１ｃ’−１、１ｃ’−２を宛先としたネイティブ情報フレームであるため、情報フレームＦ１、Ｆ２の誤り検出結果を参照する。誤り検出結果から情報フレームＦ１、Ｆ２の双方ともに誤りがない場合、情報フレームＦ１、Ｆ２を用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ部４４に指示するとともに、可変倍増幅回路４５に増幅利得「２」を指示し、可変分配回路４６に、指向性アンテナ２０−１、２０−２に変調フレームを分配するよう指示する。ＮＣ部４４は、記憶回路４１から情報フレームＦ１、Ｆ２を読み出してＮＣ符号化を行って符号化情報フレームＸを生成し、変調回路２５は、符号化情報フレームＸの変調フレームを生成する。増幅回路３１は、変調フレームを１台の端局１ｃ’への無線信号の送信に必要な所定の送信電力にまで増幅し、可変倍増幅回路４５は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力をさらに２倍に増幅する。可変分配回路４６は、可変倍増幅回路４５から出力された変調フレームを、送受信切替回路２１−１、２１−２へ分配する。指向性アンテナ２０−１は端局１ｃ’−１に、指向性アンテナ２０−２は端局１ｃ’−２に変調フレームを同報送信する。
【００８３】
端局１ｃ’−１、１ｃ’−２の復調回路１７は、指向性アンテナ１０が中継局２ｃから受信した変調フレームを復調し、制御部１８ｃは、復調された符号化情報フレームＸにＮＣ符号化情報が付加されているため、ＮＣ復号を行なうようＮＣ復号部１９ｃに指示するとともに、符号化情報フレームＸに付加されている情報フレームＦ１、Ｆ２のフレーム識別情報に基づいて鍵情報フレームを判断する。端局１ｃ’−１の制御部１８ｃは、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ１を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号部１９ｃは、情報フレームＦ１を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ２を得る。また、端局１ｃ’−２の制御部１８は、情報フレームＦ２を出力するよう記憶部１２に指示し、ＮＣ復号部１９ｃは、フレーム識別情報により特定される、自局が送信した情報フレームＦ２を鍵情報フレームとして用い、復調された符号化情報フレームＸをＮＣ復号して情報フレームＦ１を得る。
【００８４】
上記の（２）において、情報フレームＦ１、Ｆ２のうち、一方のみが正常に復調され、他方に符号化誤りが検出された場合、以下の（２’）の処理を行なう。
【００８５】
（２’）中継局２ｃの制御部４３は、例えば、誤り検出結果から情報フレームＦ１は正常に復調され、情報フレームＦ２には符号化誤りが検出されことを認識すると、ＮＣ部４４に、正常に復調された情報フレームＦ１をＮＣ符号化せずに出力するよう指示するとともに、可変倍増幅回路４５に増幅利得「１」を指示し、可変分配回路４６に情報フレームＦ１の宛先である端局１ｃ’−２に対向した指向性アンテナ２０−２に変調フレームを出力するよう指示する。ＮＣ部４４は、記憶回路４１から読み出した情報フレームＦ１をそのまま変調回路２５に出力し、変調回路２５は、情報フレームＦ１を変調する。増幅回路３１は、情報フレームＦ１の変調信号を１台の端局１ｃ’への無線信号の送信に必要な所定の送信電力にまで増幅し、可変倍増幅回路４５は、増幅回路３１において増幅された変調フレームの送信電力を１倍に増幅する。すなわち、可変倍増幅回路４５における増幅が行なわれない状態となる。可変分配回路４６は、可変倍増幅回路４５から出力された変調フレームを送受信切替回路２１−２へのみ出力し、指向性アンテナ２０−２は、変調フレームを端局１ｃ’−２に送信する。
【００８６】
端局１ｃ’−２の制御部１８ｃは、復調回路１により復調された情報フレームにＮＣ符号化情報が付加されていないため、ＮＣ復号を行なわないようＮＣ復号部１９ｃに指示する。端局１ｃ’−２のＮＣ復号部１９ｃは、復調回路１７が変調して得た情報フレームＦ１をそのまま上位層等に出力する。端局１ｃ’−１は、中継局２ｃから受信すべきタイムスロットに無線信号を受信しなかったため、復調動作を行わない。
【００８７】
時刻Ｔ４以降の動作に関しては，時刻Ｔ１〜Ｔ３の繰り返しにより動作する。
【００８８】
本実施形態によれば、中継局は、端局から受信したネイティブ情報フレームに対して誤り検出を行い、１つ以上のネイティブ情報フレームに誤りが検出された場合は、誤りがない情報フレームについてのみＮＣ符号化を行い、誤りを含む情報フレームの宛先局を除いた端局に対してのみ符号化情報フレームを送信する。この時の増幅回路の利得は、誤りを含む情報フレームの宛先局を除いた端局の数でよい。これにより、送信電力の節約が実現可能となることに加え、誤り情報フレームまでまとめてＮＣ符号化することによる誤り伝播の発生を防止することが可能となる。
【００８９】
［第５の実施形態］
続いて、本発明の第５の実施形態を説明する。第４の実施形態では、第２の実施形態と同様、端局１ｃの台数が増加した場合には、可変倍増幅回路が高価になってしまう。そこで、本実施形態では、第３の実施形態と同様に、中継局に増幅回路をＮ個備え、変調フレームを分配した後に、各増幅回路において、１台の端局への送信に必要な送信電力に増幅する。以下、第４の実施形態との差分を中心に説明する。
【００９０】
図１１は、本実施形態による中継局２ｄの構成を示すブロック図である。同図において、図７に示す第３の実施形態による中継局２ｂ、図９に示す第４の実施形態による中継局２ｃと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図９に示す中継局２ｄが、第４の実施形態の中継局２ｃと異なる点は、制御部４３に代えて制御部４７が設けられている点、増幅回路３１及び可変倍増幅回路４５が設けられていない点、増幅回路３６−１〜３６−ｎからなる増幅回路群が設けられている点である。
【００９１】
制御部４７は、第４の実施形態の制御部４３と同様に、現在の送信タイミングにおいてＮＣ符号化対象となるネイティブ情報フレームの中から、正常に復調されたネイティブ情報フレームを特定する。制御部４７は、この特定されたネイティブ情報フレームである特定情報フレームを用いて符号化情報フレームを生成するようＮＣ部４４に指示するとともに、特定情報フレームの宛先の端局１ｃと対向する指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎに変調フレームを分配するよう可変分配回路４６に指示する。
【００９２】
次に、本実施形態による無線通信システムの動作について説明する。
（１）時刻Ｔｉ（ｉ＝１〜ｎ）において、端局１ｃ−ｉが情報フレームＦｉの変調フレームを送信し、端局１ｃ−ｉのネイティブ情報フレームを鍵情報フレームとして用いる他の端局１ｃ−ｊ（ｊはｉ以外の１以上ｎ以下の整数）が該変調フレームを受信して、復調により得られた情報フレームＦｉを記憶回路１２に記憶する処理、中継局２ｄが該変調フレームを受信し、受信した変調フレームを復調して得られた情報フレームＦｉと、情報フレームＦｉのフレーム識別情報を記憶回路４１に記憶するとともに、誤り検出回路４２が復調された情報フレームＦｉの誤り検出を行う処理は、第４の実施形態と同様である。誤り検出回路４２は、誤り検出結果を制御部４７に出力する。
【００９３】
（２）時刻Ｔ（ｎ＋１）において、中継局２ｄの制御部４７は、第４の実施形態と同様に、誤り検出結果から、この送信タイミングにおけるＮＣ符号化対象の情報フレームのうち、正常に復調された情報フレームＦｋ（ｋは１以上ｎ以下の整数）を認識すると、正常に復調された情報フレームＦｋを用いてＮＣ符号化を行なうようＮＣ部４４に指示するとともに、情報フレームＦｋの宛先となる端局１ｃ−ｋ’（ｋ’は１以上ｎ以下の整数）に対応した指向性アンテナ２０−ｋ’に変調フレームを分配するよう可変分配回路４６に指示する。
【００９４】
第４の実施形態と同様に、ＮＣ部４４は、正常に復調された情報フレームＦｋをＮＣ符号化して符号化情報フレームＸを生成し、変調回路２５は、符号化情報フレームＸの変調フレームを生成する。可変分配回路４６は、変調回路２５から出力された変調フレームを、制御部４７から指示された指向性アンテナ２０−ｋ’に分配する。増幅回路３６−ｋ’は、可変分配回路４６から出力された変調フレームを、１台の端局１ｃへの無線信号の送信に必要な所定の送信電力にまで増幅し、送受信切替回路２１−ｋ’へ出力する。以降の処理、すなわち、指向性アンテナ２０−ｋ’が、送受信切替回路２１−ｋ’を介して入力された符号化情報フレームＸの変調フレームを対向する端局１ｃ−ｋ’に同報送信する処理は第４の実施形態と同様である。
【００９５】
なお、ＮＣ符号化対象のネイティブ情報フレームのうち、正常に復調できたネイティブ情報フレームが１つの場合、中継局２ｄの制御部４７は、ネットワーク符号化を行なわないようにＮＣ部４４に指示する。
例えば、本実施形態の無線中継システムをAlice and Bob トポロジに適用した場合、中継局２ｄの制御部４７は、情報フレームＦ１が正常に復調され、情報フレームＦ２には誤りが検出されたことを認識すると、ＮＣ部４４に、情報フレームＦ１をＮＣ符号化せずに出力するよう指示するとともに、可変分配回路４６に指向性アンテナ２０−２へ変調フレームを出力するよう指示する。ＮＣ部４４は、記憶回路４１から読み出した情報フレームＦ１をそのまま変調回路２５に出力し、可変分配回路４６は、情報フレームＦ１の変調フレームを送受信切替回路２１−２へのみ出力する。変調フレームは、増幅回路３６−２により増幅された後、指向性アンテナ２０−２により端局１ｃ’−２に送信される。
【００９６】
上述したように、本実施形態によれば、中継局は、可変分配回路を通じて変調フレームを宛先局に応じて分配した後、分配されたそれぞれの変調フレームを指向性アンテナに入力する前に増幅する。これにより、第５の実施形態と比較して、増幅回路あたりの入力電力を小さくすることができるため、安価な増幅回路を用いて構成することが可能となる。また、第５の実施形態と同様に、送信電力の節約が実現可能であり、誤り情報フレームまでまとめてＮＣ符号化することによる誤り伝播の発生を防止することも可能である。
【００９７】
以上説明した本発明の実施形態によれば、各無線局における無線信号の送受信に指向性アンテナを用い、特に中継局にはネットワーク符号化情報フレームの宛先の数と同数の指向性アンテナを有し、各端局に対して指向性を合わせることで、オムニアンテナによる送信電力の無駄を削減し、各無線リンクの送信距離の伸長が可能となる。
【００９８】
なお、端局１’、端局１ｃ’は、指向性アンテナに代えてオムニアンテナを備えてもよい。また、端局１ａ、１ｃは、中継局２ｂのように、増幅回路７１、Ｐ増幅回路７２を備える代わりに、Ｐ分配回路１４と送受信切替回路１５−１〜１５−ｐそれぞれとの間に、増幅回路を備える構成としてもよい。
また、送受信切替回路１５−１〜１５−ｐは、予め定められたタイミングによって切替を行うのではなく、サーキュレータ回路を用いて、指向性アンテナ１０−１〜１０−ｐからの入力を切替回路１６へ出力し、Ｐ分配回路１４からの入力を指向性アンテナ１０−１〜１０−ｐへ出力してもよい。
また、送受信切替回路２１−１〜２１−ｎも同様に、予め定められたタイミングによって切替を行うのではなく、サーキュレータ回路を用いて、指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎらの入力を切替回路２２へ出力し、Ｎ分配回路２７または可変分配回路４６からの入力を指向性アンテナ２０−１〜２０−ｎへ出力してもよい。
【００９９】
なお、上述の端局１、１’、１ｃ、１ｃ’ならびに、中継局２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、内部にコンピュータシステムを有している。そして、変調回路１１、１１ｃ、記憶回路１２、増幅回路１３、７１、復調回路１７、制御部１８、１８ｃ、及び、ＮＣ復号部１９、１９ｃ、ならびに、復調回路２３、ＮＣ部２４、４４、変調回路２５、増幅回路２６、３１、記憶回路４１、誤り検出回路４２、及び、制御部４３、４７の動作の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータシステムが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでいうコンピュータシステムとは、ＣＰＵ及び各種メモリやＯＳ、周辺機器等のハードウェアを含むものである。また、変調回路１１、増幅回路１３、７１、及び、復調回路１７、ならびに、復調回路２３、変調回路２５、及び、増幅回路２６、３１は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。
【０１００】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１−１、１−２、１’、１ｃ、１ｃ’…端局（端局装置）
１０、１０−１〜１０−ｐ…指向性アンテナ（アンテナ）
１１、１１ｃ…変調回路
１２…記憶回路（鍵記憶部）
１３、７１…増幅回路
１４…Ｐ分配回路
１５、１５−１〜１５−ｐ…送受信切替回路
１６…切替回路
１７…復調回路（端局復調部）
１８、１８ｃ…制御部
１９、１９ｃ…ＮＣ復号部（ネットワーク符号化復号部）
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…中継局（中継局装置）
２０−１〜２０−ｎ…指向性アンテナ
２１−１〜２１−ｎ…送受信切替回路
２２…切替回路
２３…復調回路
２４、４４…ＮＣ部（ネットワーク符号化部）
２５…変調回路
２６、３１…増幅回路
２７…Ｎ分配回路
３２…Ｎ倍増幅回路
３６−１〜３６−ｎ…増幅回路
４１…記憶回路
４２…誤り検出回路
４３、４７…制御部
４５…可変倍増幅回路
４６…可変分配回路
７２…Ｐ倍増幅回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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